六维压电风洞盒式天平研究

风洞试验是气动力载荷的精确测量手段。针对风洞试验中高频多维气动力的测量特点,采用压电测量元件,开发了一种适用于风洞试验中高频六维气动力测量的盒式天平。根据力与力矩平衡关系建立了输入与输出之间的理论输出模型,通过力传递关系及有限元仿真对气动热作用下天平被动输出进行了分析,并通过标定试验获得了天平性能指标。结果表明,该盒式天平在结构和材料上可抵抗测试过程中的温变干扰,温变影响系数小于0.5%,线性度和重复性误差分别低于0.4%和0.5%,最大相间干扰解耦后低于1.5%,三向一阶固有频率皆高于3000Hz,具有高固有频率、高精度的优良性能。

基于正交试验和APDL的盒式天平力敏元件集成优化设计

针对悬臂梁力敏元件的结构优化问题,以布片部位应变最大和变形最小为优化目标,将正交试验法引入到力敏元件结构多目标优化中,提出了一种实用高精度的结构多目标优化方法。基于正交试验法和APDL求解模块,确定初始优化方案;对在其可行区间边界上未能取优的因素,细化样本点,采用最小二乘多项式曲线拟合对该因素的试验结果进行高精度拟合,通过计算获取该因素的最优水平,得到了全局最优化方案。通过对拟合效果的量化评价和有限元仿真验证,力敏元件的参数优化结果比较理想。

盒式天平装配应力对测量结果的影响研究

天平安装过程中会产生装配应力,对元件输出值存在干扰,影响测量准度。针对此现象,文中在保证天平整体外形尺寸不变前提下,用有限元的方法研究了浮动框螺栓的紧固程度和浮动框厚度对天平测量准度的影响。结果表明:装配应力不平衡会使测量结果准度下降,浮动框的厚度也影响测量结果。风洞天平在试验中应尽量平衡装配应力,选择合适的浮动框厚度,以提高测量的准确性。

航空矢量喷管测试平台用六分量盒式天平结构设计

为了满足航空发动机推力矢量高精度测量的需求,研制了一种结构紧凑的能够实现推力矢量彻底分解的六分量盒式天平.该天平关键结构包括:三维传感器、固定框和浮动框.其中三维传感器的弹性体采用串、并联组合的结构型式.基于有限元分析,对传感器弹性体的设计进行了模拟,结果显示传感器各测力元件对本分量载荷作用敏感程度均远高于其他分量,支撑元件也较好地阻隔了各测力元件之间的相互干扰,该结论也通过了传感器的校准验证.六分量盒式天平整体的刚度和模态分析结果:天平无需做弹性角修正;1阶固有频率为218.8Hz,高于设计指标180Hz.六分量盒式天平校准表明:天平各分量精确度优于3‰,准确度优于5‰.

整体式盒式应变天平有限元设计

为了满足大飞机的测力试验要求,应用CATIA软件建立整体式盒式应变天平的虚拟样机,以该软件的有限元功能分析了该天平的静力学、贴片梁的微应变及模态,得出了天平在给定载荷下的应力和模态振型。静态标定结果表明有限元方法比传统计算方法的结果更可靠,同时说明了CATIA作为参数化设计及分析的一体化软件应用于天平的设计可在设计阶段降低天平的线性与非线性干扰,分析与设计效率得到了较大的提高。

盒式应变天平动态建模与补偿

在对盒式应变天平进行动态标定实验的基础上,采用基于OE模型预报误差法分别对其6个测量通道进行系统辨识建模和动态补偿器设计,并给出了相应的参数和动态性能指标.由建模结果可知,天平各通道阻尼比均小于0.1,从而导致其动态响应超调大、调节时间长.经MATLAB仿真,所设计动态补偿器能使天平动态阶跃响应超调量降至5%以内,调节时间均缩短为30 ms以内,从而使天平的动态测试能力得到大幅提升,对于节能降耗及提高测试效率具有重要意义.

盒式应变天平优化设计与有限元分析

分别运用正交优化算法和遗传算法,对NF-3低速风洞一台现有盒式应变天平测量元件进行单目标和多目标优化设计。在材料力学和ABAQUS有限元分析的基础上,通过对其优化前后受力情况的比较分析,优化后的天平在输出应变满足工程需要条件下,轴向刚度提高30%～50%,遗传算法比正交优化的计算机用时减少大约40倍,从而得到了多目标遗传算法计算耗时少,天平的输出应变和刚度匹配合理,更适用于盒式应变天平优化设计的结论。

六分量盒式应变天平的有限元分析

应用ABAQUS软件对NF-3风洞中现有一台盒式应变天平的整体结构进行了有限元分析,提出改进其弹性连杆的设计方案,并对两种方案作了有限元计算比较。结果表明:改进后的结构提高了天平整体刚度,降低了各载荷之间的干扰,尤其是其它载荷对轴向力的干扰。同时利用子模型技术,对天平的受力严重部位进行精确化分析,校核了天平强度。提高了天平设计效率和成功率,具有较好的工程应用价值。

遗传优化算法在盒式应变天平设计中的应用

文中运用遗传算法在盒式应变天平上对测量元件进行单目标和多目标优化设计,并利用ABAQUS商用软件建立盒式天平的数学模型。通过有限元受力分析,对比优化前后天平应变梁的灵敏度和刚度变化。结果表明,考虑刚度因素的多目标优化结果优于仅考虑灵敏度的单目标优化;所采用的盒式应变天平遗传算法求解速度快,计算效率高。可见多目标遗传算法可以较好地应用于盒式应变天平元件优化设计。

盒式应变天平系统理论模型研究

有限元方法在进行盒式应变天平的动态分析时,网格要求高,计算量大,对计算机的计算能力有一定要求。若在天平的设计过程中出现改变模型的情况,或者在风洞试验中出现应变天平测力不准确的问题,都会相应的改变应变天平的有限元模型,从而造成工作过程的反复重复。针对此问题,提出并建立了与盒式应变天平系统等效的质量-弹簧-阻尼系统理论模型,建立了该理论模型的动力学微分方程。在ANSYS有限元分析的基础上,通过将二维有限元模型在三种不同的载荷加载情况下的分析数据与理论模型的计算数据进行比较,验证了该理论模型的正确性与合理性。该质量-弹簧-阻尼系统在风洞试验中具有很大的应用潜力。

风洞用盒式应变天平系统动态响应分析

建立与盒式应变天平系统等效的质量-弹簧-阻尼系统理论模型,并以此理论模型为基础,对其进行系统动态响应分析。分析时,通过改变盒式应变天平系统中测量元件的刚度,得出该天平系统中不同质量块在给定的动载作用下的位移响应。计算结果表明测量元件的刚度越大,结构的响应频率越高,质量块的位移响应曲线与所加动载荷的形式越吻合。基于此结论,根据输入的载荷形式,通过调节测试元件的刚度,使计算结果能够准确地反映出载荷的真实情况,从而为基于响应曲线反推外加动载荷提供理论指导。

航空六分量盒式应变天平结构设计

飞行器的空气动力特性是飞行器设计所需核心参数,其可以通过航空风洞实验获得,因此需要用到风洞测力天平这一设备。具有同时测量阻力、升力、侧向力、滚转力矩、俯仰力矩、偏航力矩的六分量天平是最完备的天平形式。根据使用需要,基于航空六分量盒式应变天平对气动合力进行了解耦分析,确定了总体布局形式,并计算了各分量的最大受载情况,最后对天平进行了灵敏度分析和应力校核。

一种带过载保护的盒式六分量天平的研制

为了解决旋翼试验台中六分量天平耦合严重以及易过载的问题,研制了一种带过载保护的盒式六分量天平。该天平由浮动框、弹性连杆、传感器和固定框装配而成,弹性连杆两端有双向弹性铰链用于提高天平机械解耦性能。弹性连杆往往加工成不同结构,如双孔十字梁方杆、双层十字梁方杆以及单层十字梁圆杆等。通过有限元软件分析了不同弹性连杆结构对天平机械解耦性能的影响,选择了单层十字梁圆杆结构作为最终方案。针对十字梁式弹性铰链,设计了双Z形过载保护结构,最后对研制的天平进行标定,验证了其解耦性能。

超燃冲压发动机力和力矩直接测量天平研制

研制一台可放入超燃冲压发动机被试段腔内的盒式应变天平,可实时测量被试段所受的六分量力和力矩。该天平刚性大、干扰小、具有良好的机械性能。通过精细的结构设计、遗传算法优化及有限元分析,解决了天平空间尺寸小和各分量载荷难匹配的问题,有效降低各分量之间的干扰,提高了天平的测量精准度。另外,对天平设计了过载保护装置及隔热和防潮保护。静校和试验结果表明该天平各项性能良好。

盒式六分量应变天平热态试验气动结构特性

为了探索盒式六分量应变天平热态试验时三维力传感器输出信号异常的现象,从四分量机械单台式天平与盒式六分量应变天平的气动布局、主体结构及热态试验方面展开了对比分析,受结构及安装制约,盒式六分量应变天平无法消除或补偿高温热流在稳定段上产生的热应力.为保留喷管模型试验器最具特色的高温试验功能,利用对称布置方案,调换燃油加温器至稳定段出口.热态试验证明:在增强天平的平衡性、减少天平机械连接、简化燃油加温器安装和调试的情况下,天平的推力测量值从异常的负值恢复正常,解决天平输出信号异常问题,满足天平热态试验性能要求.